E.coli的乳糖操縱子是原核生物基因表達調(diào)控的典型例子.
1乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)
大腸桿菌的乳糖操縱子含Z、Y及A三個結(jié)構(gòu)基因,分別編碼β-半乳糖苷酶、透酶、乙?；D(zhuǎn)移酶,此外還有一個操縱序列O、一個啟動序列P及一個調(diào)節(jié)基因Ⅰ.Ⅰ基因編碼一種阻遏蛋白,后者與O序列結(jié)合,使操縱子受阻遏而處于轉(zhuǎn)錄失活狀態(tài).在啟動序列P上游還有一個分解（代謝）物基因激活蛋白CAP結(jié)合位點,由P序列、O序列和CAP結(jié)合位點共同構(gòu)成LAC操縱子的調(diào)控區(qū),三個酶的編碼基因即由同一調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié),實現(xiàn)基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)表達.
2阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)
在沒有乳糖存在時,乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài).此時,Ⅰ基因列在P啟動序列操縱下表達的乳糖阻遏蛋白與O序列結(jié)合,故阻斷轉(zhuǎn)錄啟動.阻遏蛋白的阻遏作用并非絕對,偶有阻遏蛋白與O序列解聚.因此,每個細胞中可能會有寥寥數(shù)分子β半乳糖苷酶、透酶生成.
當有乳糖存在時,乳糖操縱子即可被誘導.真正的誘導劑并非乳糖本身.乳糖經(jīng)透酶催化、轉(zhuǎn)運進入細胞,再經(jīng)原先存在于細胞中的少數(shù)β -半乳糖苷酶催化,轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖.后者作為一種誘導劑分子結(jié)合阻遏蛋白,使蛋白構(gòu)型變化,導致阻遏蛋白與O序列解離、發(fā)生轉(zhuǎn)錄,使β-半乳糖苷酶分子增加 1000倍.
3CAP的正性調(diào)節(jié)
分解代謝物基因激活蛋白 CAP是同二聚體,在其分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點.當沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時,cAMP與CAP結(jié)合,這時CAP結(jié)合在乳糖啟動序列附近的CAP位點,可刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性,使之提高50倍；當葡萄糖存在時,cAMP濃度降低,cAMP與CAP結(jié)合受阻,因此乳糖操縱子表達下降.
由此可見,對乳糖操縱子來說 CAP是正性調(diào)節(jié)因素,乳糖阻遏蛋白是負性調(diào)節(jié)因素.兩種調(diào)節(jié)機制根據(jù)存在的碳源性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)乳糖操縱子的表達.
4對調(diào)節(jié)機制的解釋
大腸桿菌根據(jù)碳源性質(zhì)選擇代謝方式.
倘若有葡萄糖存在時,細菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應能量.葡萄糖通過降低 cAMP濃度,阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄,使細菌只能利用葡萄糖.
在沒有葡萄糖而只有乳糖的條件下,阻遏蛋白與 O序列解聚,CAP結(jié)合cAMP后與乳糖操縱子的CAP位點,激活轉(zhuǎn)錄,使得細菌利用乳糖作為能量來源.